Atomenerģija izmanto siltumenerģētikā, kad enerģiju iegūst no kodoldegvielas reaktoros siltuma veidā. To izmanto, lai ražotu elektroenerģiju iekšā atomelektrostacijas (AES), lielu jūras kuģu spēkstacijām, jūras ūdens atsāļošanai.
Kodolenerģija ir parādā savu izskatu, pirmkārt, 1932. gadā atklātā neitrona dabai. Neitroni ir daļa no visiem atomu kodoliem, izņemot ūdeņraža kodolu. Saistītie neitroni kodolā pastāv bezgalīgi. Brīvā formā tie ir īslaicīgi, jo tie vai nu sadalās ar pussabrukšanas periodu 11,7 minūtes, pārvēršoties par protonu un izstaro elektronu un neitrīno, vai arī tos ātri uztver atomu kodoli.
Mūsdienu kodolenerģijas pamatā ir dabiskā izotopa skaldīšanas laikā atbrīvotās enerģijas izmantošana urāns-235. Atomelektrostacijās tiek veikta kontrolēta kodola skaldīšanas reakcija kodolreaktors. Saskaņā ar neitronu enerģiju, kas rada kodola skaldīšanu, atšķirt termiskos un ātro neitronu reaktorus.
Atomelektrostacijas galvenais bloks ir kodolreaktors, kura diagramma parādīta attēlā. 1. Tie iegūst enerģiju no kodoldegvielas, un pēc tam to siltuma veidā pārnes uz citu darba šķidrumu (ūdeni, metālu vai organisko šķidrumu, gāzi); tad to pārvērš elektroenerģijā pēc tādas pašas shēmas kā parastajās.
Viņi kontrolē procesu, uztur reakciju, stabilizē jaudu, iedarbina un aptur reaktoru, izmantojot īpašu kustību vadības stieņi 6 Un 7 no materiāliem, kas intensīvi absorbē termiskos neitronus. Tos vada vadības sistēma 5 . Darbības vadības stieņi izpaužas kā neitronu plūsmas jaudas izmaiņas kodolā. Pēc kanāliem 10 ūdens cirkulē, atdzesējot bioloģiskās aizsardzības betonu
Vadības stieņi ir izgatavoti no bora vai kadmija, kas ir termiski, starojuma un korozijas izturīgi, mehāniski izturīgi un ar labām siltuma pārneses īpašībām.
Masīva tērauda korpusa iekšpusē 3 ir grozs 8 ar degvielas elementiem 9 . Dzesēšanas šķidrums ieplūst caur cauruļvadu 2 , iziet cauri serdei, izmazgā visus degvielas elementus, uzsilst un cauri cauruļvadam 4 iekļūst tvaika ģeneratorā.
Rīsi. 1. Kodolreaktors
Reaktors atrodas bieza betona bioloģiskās ierobežošanas ierīcē 1 , kas aizsargā apkārtējo telpu no neitronu, alfa, beta, gamma starojuma plūsmas.
Degvielas elementi (degvielas stieņi)- reaktora galvenā daļa. Tajos tieši notiek kodolreakcija un izdalās siltums; visas pārējās daļas kalpo siltuma izolācijai, kontrolei un noņemšanai. Strukturāli degvielas elementi var būt izgatavoti no stieņa, plākšņu, cauruļveida, sfērisku uc Visbiežāk tie ir stieņi, līdz 1 metram garš, 10 mm diametrā. Tos parasti montē no urāna granulām vai no īsām caurulēm un plāksnēm. No ārpuses degvielas elementi ir pārklāti ar korozijizturīgu, plānu metāla apvalku. Korpusam izmantots cirkonijs, alumīnijs, magnija sakausējumi, kā arī leģēts nerūsējošais tērauds.
Kodolreakcijas laikā reaktora aktīvā izdalītā siltuma pārnese uz spēkstaciju dzinēja (turbīnas) darba korpusu tiek veikta pēc vienas ķēdes, divkontūru un trīsķēžu shēmām (2. att.).
Rīsi. 2. Atomelektrostacija
a – pēc vienas ķēdes shēmas; b – pēc divkontūru shēmas; c – pēc trīs ķēžu shēmas
1 – reaktors; 2, 3 – bioloģiskā aizsardzība; 4 – spiediena regulators; 5 – turbīna; 6 – elektroģenerators; 7 – kondensators; 8 – sūknis; 9 – rezerves jauda; 10 – reģeneratīvais sildītājs; 11 – tvaika ģenerators; 12 – sūknis; 13 – starpposma siltummainis
Katra ķēde ir slēgta sistēma. Reaktors 1 (visās siltuma ķēdēs), kas atrodas primārajā 2 un sekundārais 3 bioloģiskā aizsardzība. Ja atomelektrostacija ir uzbūvēta saskaņā ar vienas ķēdes termisko ķēdi, tvaiks no reaktora caur spiediena regulatoru 4 iekļūst turbīnā 5 . Turbīnas vārpsta ir savienota ar elektriskā ģeneratora vārpstu 6 , kurā tiek ģenerēta elektriskā strāva. Izplūdes tvaiks nonāk kondensatorā, kur tas tiek atdzesēts un pilnībā kondensēts. Sūknis 8 novirza kondensātu uz reģeneratīvo sildītāju 10 , un tad tas nonāk reaktorā.
Divu ķēžu shēmā reaktorā uzkarsētais dzesēšanas šķidrums nonāk tvaika ģeneratorā 11 , kur ar virsmas karsēšanu siltums tiek pārnests uz darba šķidruma dzesēšanas šķidrumu (sekundārā kontūra padeves ūdens). Ar ūdeni dzesējamos reaktoros dzesēšanas šķidrumu tvaika ģeneratorā atdzesē par aptuveni 15...40 o C un tālāk cirkulācijas sūknis 12 tiek nosūtīts atpakaļ uz reaktoru.
Trīs ķēžu konstrukcijā dzesēšanas šķidrums (parasti šķidrais nātrijs) no reaktora tiek novirzīts uz starpposma siltummaini 13 un no turienes ar cirkulācijas sūkni 12 atgriežas reaktorā. Dzesēšanas šķidrums otrajā kontūrā ir arī šķidrais nātrijs. Šī ķēde nav apstarota un tāpēc nav radioaktīva. Sekundārās ķēdes nātrijs nonāk tvaika ģeneratorā 11 , atdod siltumu darba šķidrumam un pēc tam cirkulācijas sūknis to nosūta atpakaļ uz starpposma siltummaini.
Cirkulācijas ķēžu skaits nosaka reaktora veidu, izmantoto dzesēšanas šķidrumu, tā kodolfizikālās īpašības un radioaktivitātes pakāpi. Viena kontūra ķēdi var izmantot viršanas reaktoros un reaktoros ar gāzes dzesēšanas šķidrumu. Visizplatītākā dubultās ķēdes ķēde izmantojot ūdeni, gāzi un organiskos šķidrumus kā dzesēšanas šķidrumu. Trīs ķēžu shēmu izmanto atomelektrostacijās ar ātro neitronu reaktoriem, kurās izmanto šķidros metāla dzesēšanas šķidrumus (nātrija, kālija, nātrija-kālija sakausējumus).
Kodoldegviela var būt urāns-235, urāns-233 un plutonijs-232. Izejvielas kodoldegvielas iegūšanai - dabiskais urāns un torijs. Viena grama skaldāmā materiāla (urāna-235) kodolreakcija atbrīvo enerģiju, kas līdzvērtīga 22 × 10 3 kW × h (19 × 10 6 cal). Lai iegūtu šādu enerģijas daudzumu, nepieciešams sadedzināt 1900 kg eļļas.
Urāns-235 ir viegli pieejams, un tā enerģijas rezerves ir aptuveni tādas pašas kā fosilā kurināmā. Tomēr, ja kodoldegvielu izmantos tik zemā lietderības koeficientā, kāda pašlaik ir pieejama, pieejamie urāna avoti tiks izsmelti 50–100 gadu laikā. Tajā pašā laikā kodoldegvielas “nogulas” ir praktiski neizsmeļamas - tas ir jūras ūdenī izšķīdināts urāns. Okeānā to ir simtiem reižu vairāk nekā uz sauszemes. Viena kilograma urāna dioksīda iegūšanas izmaksas no jūras ūdens ir aptuveni 60–80 USD, un nākotnē tās samazināsies līdz 30 USD, bet urāna dioksīda, kas iegūts bagātākajās sauszemes atradnēs, izmaksas ir 10–20 USD. Tāpēc pēc kāda laika izmaksas uz sauszemes un “jūras ūdens” kļūs vienādas.
Kodoldegvielas izmaksas ir aptuveni divas reizes zemākas nekā fosilās ogles. Ogļu spēkstacijās kurināmā daļa samazinās par 50-70% no elektroenerģijas izmaksām, bet atomelektrostacijās - par 15-30%. Mūsdienīga termoelektrostacija ar jaudu 2,3 miljoni kW (piemēram, Samaras štata apgabala elektrostacija) katru dienu patērē aptuveni 18 tonnas ogļu (6 vilcieni) vai 12 tūkstošus tonnu mazuta (4 vilcieni). Kodolenerģija, ar tādu pašu jaudu, patērē tikai 11 kg kodoldegvielas dienā un 4 tonnas gada laikā. Tomēr atomelektrostacija būvniecības, ekspluatācijas un remonta ziņā ir dārgāka nekā termoelektrostacija. Piemēram, atomelektrostacijas ar jaudu 2 - 4 miljoni kW celtniecība izmaksā aptuveni par 50-100% vairāk nekā termiskā.
Atomelektrostaciju būvniecības kapitāla izmaksas ir iespējams samazināt, jo:
- iekārtu standartizācija un unifikācija;
- kompakto reaktoru projektu izstrāde;
- vadības un regulēšanas sistēmu uzlabošana;
- samazinot reaktora apturēšanas ilgumu degvielas uzpildīšanai.
Svarīga kodolspēkstaciju (kodolreaktoru) īpašība ir degvielas cikla efektivitāte. Lai uzlabotu degvielas cikla efektivitāti, jums vajadzētu:
- palielināt kodoldegvielas sadegšanu;
- palielināt plutonija vairošanās ātrumu.
Ar katru urāna-235 kodola skaldīšanu tiek atbrīvoti 2-3 neitroni. No tiem tikai viens tiek izmantots tālākai reakcijai, pārējie tiek zaudēti. Taču ir iespējams tos izmantot kodoldegvielas reproducēšanai, radot ātro neitronu reaktorus. Darbinot ātro neitronu reaktoru, uz 1 kg sadedzinātā urāna-235 vienlaikus iespējams iegūt aptuveni 1,7 kg plutonija-239. Tādā veidā var segt atomelektrostaciju zemo siltuma efektivitāti.
Ātro neitronu reaktori ir desmitiem reižu efektīvāki (kodoldegvielas izmantošanas ziņā) nekā degvielas neitronu reaktori. Tie nesatur moderatoru un izmanto augsti bagātinātu kodoldegvielu. Neitroni, kas izplūst no kodola, netiek absorbēti Būvmateriāli, un atrodas ap urānu-238 vai toriju-232.
Nākotnē kodolspēkstaciju galvenie skaldāmie materiāli būs plutonijs-239 un urāns-233, kas iegūti attiecīgi no urāna-238 un torija-232 ātro neitronu reaktoros. Reaktoros pārvēršot urānu-238 par plutoniju-239, kodoldegvielas resursi palielināsies aptuveni 100 reizes, bet torija-232 par urānu-233 - 200 reizes.
Attēlā 3. attēlā parādīta atomelektrostacijas diagramma, kurā izmanto ātros neitronus.
Ātro neitronu atomelektrostacijas atšķirīgās iezīmes ir:
- kodolreaktora kritiskuma maiņa tiek veikta, daļu kodoldegvielas skaldīšanas neitronu no perifērijas atpakaļ kodolā, izmantojot atstarotājus. 3 ;
- atstarotāji 3 var griezties, mainot neitronu noplūdi un līdz ar to arī skaldīšanas reakciju intensitāti;
- tiek reproducēta kodoldegviela;
- Lieko siltumenerģiju no reaktora noņem, izmantojot radiatora ledusskapi 6 .
Rīsi. 3. Atomelektrostacijas diagramma, kurā izmanto ātros neitronus:
1 – degvielas elementi; 2 – reproducējamā kodoldegviela; 3 – ātri neitronu atstarotāji; 4 – kodolreaktors; 5 – elektroenerģijas patērētājs; 6 – ledusskapis-emiteris; 7 – siltumenerģijas pārveidotājs elektroenerģijā; 8 – aizsardzība pret radiāciju.
Siltumenerģijas pārveidotāji elektroenerģijā
Pamatojoties uz atomelektrostacijas saražotās siltumenerģijas izmantošanas principu, pārveidotājus var iedalīt 2 klasēs:
- mašīna (dinamiska);
- bez iekārtām (tiešie pārveidotāji).
Mašīnu pārveidotājos reaktoram parasti ir pievienots gāzes turbīnas bloks, kurā darba šķidrums var būt ūdeņradis, hēlijs vai hēlija-ksenona maisījums. Turboģeneratoram tieši piegādātā siltuma pārvēršanas elektrībā efektivitāte ir diezgan augsta - pārveidotāja efektivitāte η = 0,7-0,75.
Atomelektrostacijas diagramma ar dinamisku gāzes turbīnas (mašīnas) pārveidotāju ir parādīta attēlā. 4.
Cits mašīnu pārveidotāju veids ir magnetogasdinamiskais vai magnetohidrodinamiskais ģenerators (MGDG). Šāda ģeneratora shēma ir parādīta attēlā. 5. Ģenerators ir taisnstūra kanāls, kura divas sienas ir izgatavotas no dielektriķa, bet divas no elektriski vadoša materiāla. Pa kanāliem pārvietojas elektriski vadošs darba šķidrums - šķidrs vai gāzveida, kas tiek caurdurts magnētiskais lauks. Kā zināms, vadītājam pārvietojoties magnētiskajā laukā, rodas emf, kas pāri elektrodiem 2 nodots elektroenerģijas patērētājam 3 . Darba siltuma plūsmas enerģijas avots ir kodolreaktorā izdalītais siltums. Šī siltumenerģija tiek tērēta lādiņu kustībai magnētiskajā laukā, t.i. tiek pārveidota strāvu vadošas strūklas kinētiskajā enerģijā un elektriskajā enerģijā.
Rīsi. 4. Atomelektrostacijas diagramma ar gāzes turbīnas pārveidotāju:
1 – reaktors; 2 – kontūra ar šķidro metāla dzesēšanas šķidrumu; 3 – siltummainis siltuma padevei gāzei; 4 – turbīna; 5 – elektroģenerators; 6 – kompresors; 7 – ledusskapis-emiteris; 8 – siltuma noņemšanas kontūra; 9 – cirkulācijas sūknis; 10 – siltummainis siltuma noņemšanai; 11 – siltummainis-reģenerators; 12 – ķēde ar gāzturbīnas pārveidotāja darba šķidrumu.
Tiešos siltumenerģijas pārveidotājus (bezmašīnas) elektroenerģijā iedala:
- termoelektrisks;
- termiski;
- elektroķīmiski.
Termoelektriskie ģeneratori (TEG) ir balstīti uz Zēbeka principu, kas sastāv no tā, ka slēgtā ķēdē, kas sastāv no atšķirīgiem materiāliem, rodas termo-emf, ja šo materiālu saskares vietās tiek uzturēta temperatūras starpība (6. att. ). Elektroenerģijas ražošanai vēlams izmantot pusvadītāju TEG, kam ir augstāka efektivitāte, savukārt karstā savienojuma temperatūra jāpaaugstina līdz 1400 K un augstākai.
Termioniskie pārveidotāji (TEC) dod iespēju ražot elektroenerģiju elektronu emisijas rezultātā no katoda, kas uzkarsēts līdz augstām temperatūrām (7. att.).
Rīsi. 5. Magnetogāzes dinamiskais ģenerators:
1 – magnētiskais lauks; 2 – elektrodi; 3 – elektroenerģijas patērētājs; 4 – dielektrisks; 5 – diriģents; 6 – darba šķidrums (gāze).
Rīsi. 6. Termoelektriskā ģeneratora darbības shēma
Rīsi. 7. Termioniskā pārveidotāja darbības shēma
Lai uzturētu emisijas strāvu, katodam tiek piegādāts siltums J 1 . Katoda izstarotie elektroni, pārvarot vakuuma spraugu, sasniedz anodu un tiek absorbēti tajā. Kad elektroni “kondensējas” pie anoda, tiek atbrīvota enerģija, kas vienāda ar elektronu darba funkciju ar pretēja zīme. Ja mēs nodrošinām nepārtrauktu siltuma padevi katodam un noņemam to no anoda, tad caur slodzi R plūst līdzstrāva. Elektronu emisija notiek efektīvi, ja katoda temperatūra pārsniedz 2200 K.
Atomelektrostaciju drošība un uzticamība
Viens no galvenajiem jautājumiem kodolenerģijas attīstībā ir kodolspēkstaciju uzticamības un drošības nodrošināšana.
Radiācijas drošību nodrošina:
- uzticamu konstrukciju un ierīču izveide personāla bioloģiskajai aizsardzībai pret radiāciju;
- gaisa un ūdens attīrīšana, kas iziet no atomelektrostacijas telpām;
- radioaktīvā piesārņojuma ekstrakcija un droša lokalizācija;
- atomelektrostacijas telpu ikdienas radiācijas monitorings un personāla individuālais radiācijas monitorings.
AES telpas atkarībā no darbības režīma un tajās uzstādītā aprīkojuma iedala 3 kategorijās:
- augsta drošības zona;
- aizliegtā zona;
- parastā režīma zona.
Personāls pastāvīgi atrodas trešās kategorijas telpās, šīs stacijas telpas ir radiācijas drošas.
Atomelektrostaciju darbības laikā rodas cietie, šķidrie un gāzveida radioaktīvie atkritumi. Tie ir jāiznīcina tā, lai neradītu vides piesārņojumu.
Ventilācijas laikā no telpām izvadītās gāzes var saturēt radioaktīvas vielas aerosolu, radioaktīvo putekļu un radioaktīvās gāzes. Stacijas ventilācija ir izbūvēta tā, lai gaisa plūsmas no “tīrākā” pārietu uz “piesārņotāko”, un pretējā virzienā tiek izslēgtas plūsmas. Visās stacijas zonās pilnīga gaisa nomaiņa tiek veikta ne ilgāk kā vienas stundas laikā.
Atomelektrostaciju darbības laikā rodas radioaktīvo atkritumu apglabāšanas un apglabāšanas problēma. Reaktoros izlietotie kurināmā elementi noteiktu laiku tiek turēti ūdens baseinos tieši atomelektrostacijā, līdz tiek stabilizēti izotopi ar īsu pussabrukšanas periodu, pēc tam degvielas elementi tiek nosūtīti uz īpašām radioķīmiskajām rūpnīcām reģenerācijai. Tur no degvielas stieņiem tiek iegūta kodoldegviela, un radioaktīvie atkritumi tiek apglabāti.
Kodoldegvielas uz urāna vai plutonija bāzes dzīves cikls sākas kalnrūpniecības uzņēmumos, ķīmiskajās rūpnīcās, gāzes centrifūgās un nebeidzas brīdī, kad degvielas komplekts tiek izkrauts no reaktora, jo katram degvielas komplektam ir jāiziet garš ceļš. iznīcināšanu un pēc tam pārstrādi.
Kodoldegvielas izejvielu ieguve
Urāns ir smagākais metāls uz zemes. Apmēram 99,4% no Zemes urāna ir urāns-238, un tikai 0,6% ir urāns-235. Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras Sarkanās grāmatas ziņojums liecina, ka urāna ražošana un pieprasījums pieaug, neskatoties uz Fukušimas kodolavāriju, kas daudziem licis aizdomāties par kodolenerģijas perspektīvām. Dažu pēdējo gadu laikā vien pierādītās urāna rezerves ir palielinājušās par 7%, kas ir saistīts ar jaunu atradņu atklāšanu. Lielākie ražotāji joprojām ir Kazahstāna, Kanāda un Austrālija; viņi iegūst līdz 63% pasaules urāna. Turklāt metālu rezerves ir pieejamas Austrālijā, Brazīlijā, Ķīnā, Malāvijā, Krievijā, Nigērā, ASV, Ukrainā, Ķīnā un citās valstīs. Iepriekš Pronedra rakstīja, ka 2016.gadā Krievijas Federācijā tika iegūti 7,9 tūkstoši tonnu urāna.
Mūsdienās urānu iegūst trīs dažādos veidos. Atvērtā metode nezaudē savu aktualitāti. To izmanto gadījumos, kad nogulsnes atrodas tuvu zemes virsmai. Plkst atvērtā metode buldozeri izveido karjeru, pēc tam rūdu ar piemaisījumiem iekrauj pašizgāzēju transportēšanai uz pārstrādes kompleksiem.
Bieži vien rūdas korpuss atrodas lielā dziļumā, un šajā gadījumā tiek izmantota pazemes ieguves metode. Raktuves tiek izraktas līdz diviem kilometriem dziļumā, iezis tiek iegūtas, urbjot horizontālos sanesumos, un uz augšu tiek transportētas kravas liftos.
Maisījumam, kas šādā veidā tiek transportēts uz augšu, ir daudz sastāvdaļu. Akmens ir jāsadrupina, jāatšķaida ar ūdeni un jānoņem pārpalikums. Pēc tam maisījumam pievieno sērskābi, lai veiktu izskalošanās procesu. Šīs reakcijas laikā ķīmiķi iegūst dzeltenas urāna sāļu nogulsnes. Visbeidzot, urāns ar piemaisījumiem tiek attīrīts rafinēšanas iekārtā. Tikai pēc tam tiek ražots urāna oksīds, kas tiek tirgots biržā.
Ir daudz drošāka, videi draudzīgāka un rentablāka metode, ko sauc par urbuma in situ izskalošanos (ISL).
Izmantojot šo lauka izstrādes metodi, teritorija paliek droša personālam, un radiācijas fons atbilst fonam iekšā lielākās pilsētas. Lai iegūtu urānu, izmantojot izskalošanu, sešstūra stūros jāizurbj 6 caurumi. Caur šīm urbumiem sērskābe tiek iesūknēta urāna atradnēs un sajaukta ar tā sāļiem. Šo šķīdumu ekstrahē, proti, sūknē caur aku sešstūra centrā. Lai sasniegtu nepieciešamo urāna sāļu koncentrāciju, maisījumu vairākas reizes laiž cauri sorbcijas kolonnām.
Kodoldegvielas ražošana
Nav iespējams iedomāties kodoldegvielas ražošanu bez gāzes centrifūgām, kuras izmanto bagātinātā urāna ražošanai. Pēc vajadzīgās koncentrācijas sasniegšanas urāna dioksīds tiek presēts tā sauktajās tabletēs. Tie ir izveidoti, izmantojot smērvielas, kuras tiek noņemtas apdedzināšanas laikā krāsnīs. Apdedzināšanas temperatūra sasniedz 1000 grādus. Pēc tam tabletes tiek pārbaudītas, lai pārliecinātos, ka tās atbilst noteiktajām prasībām. Svarīga ir virsmas kvalitāte, mitruma saturs un skābekļa un urāna attiecība.
Tajā pašā laikā citā darbnīcā tiek gatavoti cauruļveida čaulas degvielas elementiem. Iepriekš minētos procesus, tostarp sekojošu tablešu dozēšanu un iepakošanu čaulu caurulēs, aizzīmogošanu, dekontamināciju, sauc par degvielas ražošanu. Krievijā degvielas komplektu (FA) izveidi veic Mashinostroitelny Zavod Maskavas reģionā, Novosibirskas ķīmisko koncentrātu rūpnīca Novosibirskā, Maskavas polimetālu rūpnīca un citi.
Katra degvielas komplektu partija ir izveidota noteikta veida reaktoram. Eiropas degvielas komplekti ir izgatavoti kvadrāta formā, bet krievu - ar sešstūra šķērsgriezumu. Krievijas Federācijā plaši tiek izmantoti VVER-440 un VVER-1000 tipa reaktori. Pirmos degvielas elementus VVER-440 sāka izstrādāt 1963. gadā, bet VVER-1000 - 1978. gadā. Neskatoties uz to, ka Krievijā tiek aktīvi ieviesti jauni reaktori ar drošības tehnoloģijām pēc Fukušimas, visā valstī un ārvalstīs darbojas daudzas vecā tipa kodoliekārtas, tāpēc degvielas komplekti joprojām ir vienlīdz aktuāli. dažādi veidi reaktori.
Piemēram, lai nodrošinātu degvielas komplektus vienam RBMK-1000 reaktora serdeņam, ir nepieciešami vairāk nekā 200 tūkstoši komponentu, kas izgatavoti no cirkonija sakausējumiem, kā arī 14 miljoni saķepināta urāna dioksīda granulu. Dažkārt degvielas komplekta ražošanas izmaksas var pārsniegt elementos esošās degvielas izmaksas, tāpēc ir tik svarīgi nodrošināt augstu energoefektivitāti uz kilogramu urāna.
Ražošanas procesu izmaksas %
Atsevišķi ir vērts pieminēt degvielas komplektus pētniecības reaktoriem. Tie ir izstrādāti tā, lai neitronu ģenerēšanas procesa novērošana un izpēte būtu pēc iespējas ērtāka. Šādus degvielas stieņus eksperimentiem kodolfizikas, izotopu ražošanas un radiācijas medicīnas jomās ražo Krievijā Novosibirskas ķīmisko koncentrātu rūpnīcā. FA ir izveidoti, pamatojoties uz bezšuvju elementiem ar urānu un alumīniju.
Kodoldegvielas ražošanu Krievijas Federācijā veic degvielas uzņēmums TVEL (Rosatom nodaļa). Uzņēmums strādā pie izejvielu bagātināšanas, degvielas elementu montāžas, kā arī sniedz degvielas licencēšanas pakalpojumus. Kovrovas mehāniskā rūpnīca Vladimiras apgabalā un Urālu gāzes centrifūgu rūpnīca Sverdlovskas apgabalā rada iekārtas Krievijas degvielas komplektiem.
Degvielas stieņu transportēšanas iezīmes
Raksturīgs dabiskais urāns zems līmenis radioaktivitāte, tomēr pirms degvielas komplektu ražošanas metāls tiek pakļauts bagātināšanas procedūrai. Urāna-235 saturs dabiskajā rūdā nepārsniedz 0,7%, un radioaktivitāte ir 25 bekereli uz 1 miligramu urāna.
Urāna granulas, kas tiek ievietotas degvielas komplektos, satur urānu ar urāna-235 koncentrāciju 5%. Gatavās degvielas komplekti ar kodoldegvielu tiek transportēti īpašos augstas stiprības metāla konteineros. Pārvadāšanai izmanto dzelzceļa, auto, jūras un pat gaisa transportu. Katrā konteinerā ir divi komplekti. Neapstarotas (svaigas) degvielas transportēšana nerada radiācijas apdraudējumu, jo starojums nesniedzas tālāk par cirkonija caurulēm, kurās tiek ievietotas presētās urāna granulas.
Degvielas pārvadāšanai tiek izstrādāts īpašs maršruts, kravas transportēšana notiek ražotāja vai pasūtītāja apsardzes personāla pavadībā (biežāk), kas galvenokārt ir saistīts ar iekārtu augstām izmaksām. Visā kodoldegvielas ražošanas vēsturē nav reģistrēts neviens transporta negadījums, kurā būtu iesaistīti degvielas komplekti, kas būtu ietekmējuši apkārtējās vides radiācijas fonu vai noveduši pie cilvēku upuriem.
Degviela reaktora aktīvajā zonā
Kodoldegvielas vienība - TVEL - spēj izdalīties liela summa enerģiju. Ne ogles, ne gāzi nevar salīdzināt ar šādiem apjomiem. Degvielas dzīves cikls jebkurā atomelektrostacijā sākas ar svaigas degvielas izkraušanu, izņemšanu un uzglabāšanu degvielas komplektu noliktavā. Kad iepriekšējā degvielas partija reaktorā izdeg, personāls montē degvielas komplektus, lai tos ielādētu aktīvās zonas zonā (reaktora darba zonā, kur notiek sabrukšanas reakcija). Kā likums, degviela tiek daļēji pārkrauta.
Pilna degviela aktīvās zonai tiek pievienota tikai pirmās reaktora palaišanas reizē. Tas ir saistīts ar faktu, ka degvielas stieņi reaktorā izdeg nevienmērīgi, jo neitronu plūsma dažādās reaktora zonās atšķiras pēc intensitātes. Pateicoties uzskaites ierīcēm, stacijas personālam ir iespēja reāllaikā uzraudzīt katras degvielas vienības izdegšanas pakāpi un veikt nomaiņu. Dažreiz tā vietā, lai ielādētu jaunus degvielas komplektus, komplekti tiek pārvietoti savā starpā. Aktīvās zonas centrā izdegšana notiek visintensīvāk.
FA pēc atomelektrostacijas
Urānu, kas iztērēts kodolreaktorā, sauc par apstaroto vai sadedzinātu. Un šādas degvielas komplekti tiek izmantoti kā izlietotā kodoldegviela. SNF tiek novietots atsevišķi no radioaktīvajiem atkritumiem, jo tajā ir vismaz 2 noderīgi komponenti - nesadegušais urāns (metāla sadegšanas dziļums nekad nesasniedz 100%) un transurāna radionuklīdi.
Pēdējā laikā fiziķi rūpniecībā un medicīnā ir sākuši izmantot izlietotajā kodoldegvielā uzkrātos radioaktīvos izotopus. Pēc tam, kad degviela ir beigusi savu kampaņu (laiks, kad mezgls atrodas reaktora aktīvajā zonā darbības apstākļos ar nominālo jaudu), tā tiek nosūtīta uz dzesēšanas baseinu, pēc tam uz noliktavu tieši reaktora nodalījumā un pēc tam pārstrādei vai iznīcināšanai. Dzesēšanas baseins ir paredzēts siltuma noņemšanai un aizsardzībai pret jonizējošo starojumu, jo degvielas komplekts paliek bīstams pēc izņemšanas no reaktora.
ASV, Kanādā vai Zviedrijā izlietotā kodoldegviela netiek nosūtīta pārstrādei. Citas valstis, tostarp Krievija, strādā pie slēgta degvielas cikla. Tas ļauj ievērojami samazināt kodoldegvielas ražošanas izmaksas, jo daļa izlietotās degvielas tiek izmantota atkārtoti.
Degvielas stieņi tiek izšķīdināti skābē, pēc tam pētnieki atdala plutoniju un neizmantoto urānu no atkritumiem. Apmēram 3% izejvielu nevar izmantot atkārtoti; tie ir augsta radioaktivitātes līmeņa atkritumi, kas tiek pakļauti bituminizācijas vai vitrifikācijas procedūrām.
No izlietotās kodoldegvielas var atgūt 1% plutonija. Šis metāls nav jābagātina, Krievija to izmanto inovatīvas MOX degvielas ražošanas procesā. Slēgts degvielas cikls dod iespēju vienu degvielas komplektu padarīt par aptuveni 3% lētāku, taču šī tehnoloģija prasa lielus ieguldījumus industriālo bloku būvniecībā, tāpēc pasaulē tā vēl nav kļuvusi plaši izplatīta. Tomēr Rosatom degvielas uzņēmums neaptur pētījumus šajā virzienā. Pronedra nesen to rakstīja Krievijas Federācija strādā pie degvielas, kas spēj pārstrādāt amerīcija, kūrija un neptūnija izotopus reaktora aktīvajā zonā, kas ir iekļauti tajos pašos 3% ļoti radioaktīvo atkritumu.
Kodoldegvielas ražotāji: reitings
- Francijas uzņēmums Areva vēl nesen nodrošināja 31% no pasaules degvielas komplektu tirgus. Uzņēmums ražo kodoldegvielu un komplektē komponentus atomelektrostacijām. 2017. gadā Areva veica kvalitatīvu renovāciju, uzņēmumā ieradās jauni investori, un 2015. gada kolosālie zaudējumi tika samazināti 3 reizes.
- Westinghouse ir Japānas uzņēmuma Toshiba Amerikas nodaļa. Tā aktīvi attīsta tirgu Austrumeiropā, piegādājot degvielas komplektus Ukrainas atomelektrostacijām. Kopā ar Toshiba tas nodrošina 26% no pasaules kodoldegvielas ražošanas tirgus.
- Trešajā vietā ir valsts korporācijas Rosatom (Krievija) degvielas kompānija TVEL. TVEL nodrošina 17% no pasaules tirgus, tam ir desmit gadu līgumu portfelis 30 miljardu dolāru vērtībā, un tas piegādā degvielu vairāk nekā 70 reaktoriem. TVEL izstrādā degvielas komplektus VVER reaktoriem, kā arī ienāk Rietumu dizaina atomelektrostaciju tirgū.
- Japan Nuclear Fuel Limited, saskaņā ar jaunākajiem datiem, nodrošina 16% no pasaules tirgus un piegādā degvielas komplektus lielākajai daļai kodolreaktoru pašā Japānā.
- Mitsubishi Heavy Industries ir japāņu gigants, kas ražo turbīnas, tankkuģus, gaisa kondicionierus un pavisam nesen arī kodoldegvielu Rietumu tipa reaktoriem. Mitsubishi Heavy Industries (mātes uzņēmuma nodaļa) kopā ar Areva nodarbojas ar APWR kodolreaktoru būvniecību un pētniecības darbībām. Šo uzņēmumu jaunu reaktoru izstrādei izvēlējās Japānas valdība.
Kodolenerģijas ražošana ir moderna un strauji attīstās elektroenerģijas ražošanas metode. Vai jūs zināt, kā darbojas atomelektrostacijas? Kāds ir atomelektrostacijas darbības princips? Kādi kodolreaktoru veidi pastāv mūsdienās? Mēģināsim detalizēti izskatīt atomelektrostacijas darbības shēmu, iedziļināties kodolreaktora struktūrā un noskaidrot, cik droša ir elektroenerģijas ražošanas kodolmetode.
Kā darbojas atomelektrostacija?
Jebkura stacija ir slēgta teritorija, kas atrodas tālu no dzīvojamā rajona. Tās teritorijā atrodas vairākas ēkas. Vissvarīgākā struktūra ir reaktora ēka, tai blakus atrodas turbīnu telpa, no kuras tiek vadīts reaktors, un drošības ēka.
Shēma nav iespējama bez kodolreaktora. Atomreaktors (kodolreaktors) ir atomelektrostacijas ierīce, kas paredzēta, lai organizētu neitronu skaldīšanas ķēdes reakciju ar obligātu enerģijas izdalīšanos šī procesa laikā. Bet kāds ir atomelektrostacijas darbības princips?
Visa reaktora iekārta atrodas reaktora ēkā, lielā betona tornī, kas slēpj reaktoru un avārijas gadījumā saturēs visus kodolreakcijas produktus. Šo lielo torni sauc par norobežošanu, hermētisku apvalku vai ierobežošanas zonu.
Hermētiskajai zonai jaunajos reaktoros ir 2 biezas betona sienas – čaulas.
Ārējais apvalks, 80 cm biezs, aizsargā norobežojošo zonu no ārējām ietekmēm.
1 metru 20 cm biezajā iekšējā apvalkā ir speciāli tērauda troses, kas gandrīz trīs reizes palielina betona stiprību un neļaus konstrukcijai sabrukt. No iekšpuses tas ir izklāts ar plānu speciāla tērauda loksni, kas paredzēta, lai kalpotu kā papildu aizsardzība norobežojumam un avārijas gadījumā neizlaistu reaktora saturu ārpus norobežojuma zonas.
Šāda atomelektrostacijas konstrukcija ļauj tai izturēt līdz 200 tonnām smagu lidmašīnas avāriju, 8 balles stipru zemestrīci, viesuļvētru un cunami.
Pirmais aizzīmogotais apvalks tika uzbūvēts Amerikas Konektikutas Yankee atomelektrostacijā 1968. gadā.
Ierobežošanas zonas kopējais augstums ir 50-60 metri.
No kā sastāv kodolreaktors?
Lai saprastu kodolreaktora darbības principu un līdz ar to arī atomelektrostacijas darbības principu, jums ir jāsaprot reaktora sastāvdaļas. 
- Aktīvā zona. Šī ir zona, kurā atrodas kodoldegviela (degvielas ģenerators) un moderators. Degvielas atomi (visbiežāk degviela ir urāns) tiek pakļauti ķēdes skaldīšanas reakcijai. Moderators ir paredzēts skaldīšanas procesa kontrolei un nodrošina nepieciešamo reakciju ātruma un spēka ziņā.
- Neitronu atstarotājs. Atstarotājs ieskauj serdi. Tas sastāv no tā paša materiāla kā moderators. Būtībā šī ir kaste, kuras galvenais mērķis ir novērst neitronu iziešanu no kodola un iekļūšanu vidi.
- Dzesēšanas šķidrums. Dzesēšanas šķidrumam ir jāuzņem siltums, kas izdalās degvielas atomu skaldīšanas laikā, un jānodod tas citām vielām. Dzesēšanas šķidrums lielā mērā nosaka, kā tiek projektēta atomelektrostacija. Mūsdienās populārākais dzesēšanas šķidrums ir ūdens.
Reaktora vadības sistēma. Sensori un mehānismi, kas darbina atomelektrostacijas reaktoru.
Degviela atomelektrostacijām
Ar ko darbojas atomelektrostacija? Atomelektrostaciju degviela ir ķīmiski elementi ar radioaktīvām īpašībām. Visās atomelektrostacijās šis elements ir urāns.
Staciju dizains paredz, ka atomelektrostacijas darbojas ar sarežģītu kompozītmateriālu, nevis tīru degvielu ķīmiskais elements. Un, lai iegūtu urāna degvielu no dabiskā urāna, kas tiek iekrauts kodolreaktorā, ir jāveic daudzas manipulācijas.
Bagātināts urāns
Urāns sastāv no diviem izotopiem, tas ir, tajā ir dažādu masu kodoli. Tie tika nosaukti pēc protonu un neitronu skaita, izotopu -235 un izotopu-238. 20. gadsimta pētnieki no rūdas sāka iegūt urānu 235, jo... to bija vieglāk sadalīt un pārveidot. Izrādījās, ka šāda urāna dabā ir tikai 0,7% (atlikušais procents aiziet uz 238. izotopu).
Ko darīt šajā gadījumā? Viņi nolēma bagātināt urānu. Urāna bagātināšana ir process, kurā tajā paliek daudz nepieciešamo 235x izotopu un maz nevajadzīgo 238x izotopu. Urāna bagātinātāju uzdevums ir 0,7% pārvērst par gandrīz 100% urānu-235.
Urānu var bagātināt, izmantojot divas tehnoloģijas: gāzu difūziju vai gāzu centrifūgu. Lai tos izmantotu, no rūdas iegūtais urāns tiek pārvērsts gāzveida stāvoklī. Tas ir bagātināts gāzes veidā.
Urāna pulveris
Bagātināta urāna gāze tiek pārvērsta cietā stāvoklī – urāna dioksīdā. Šis tīrais cietais urāns 235 parādās kā lieli balti kristāli, kas vēlāk tiek sasmalcināti urāna pulverī.
Urāna tabletes
Urāna tabletes ir cieti metāla diski, pāris centimetru gari. Lai veidotu šādas tabletes no urāna pulvera, to sajauc ar vielu - plastifikatoru, tas uzlabo tablešu presēšanas kvalitāti.
Presētās ripas tiek ceptas 1200 grādu pēc Celsija temperatūrā ilgāk par dienu, lai tabletēm piešķirtu īpašu izturību un izturību pret augstām temperatūrām. Atomelektrostacijas darbība ir tieši atkarīga no tā, cik labi urāna degviela tiek saspiesta un cepta. 
Tabletes cep molibdēna kastītēs, jo tikai šis metāls spēj nekust “elles” temperatūrā virs pusotra tūkstoša grādu. Pēc tam tiek uzskatīts, ka urāna degviela atomelektrostacijām ir gatava.
Kas ir TVEL un FA?
Reaktora kodols izskatās kā milzīgs disks vai caurule ar caurumiem sienās (atkarībā no reaktora veida), 5 reizes lielāks cilvēka ķermenis. Šajos caurumos ir urāna degviela, kuras atomi veic vēlamo reakciju.
Nav iespējams vienkārši iemest degvielu reaktorā, ja vien nevēlas izraisīt visas stacijas sprādzienu un avāriju ar sekām pāris tuvējos štatos. Tāpēc urāna degvielu ievieto degvielas stieņos un pēc tam savāc degvielas komplektos. Ko nozīmē šie saīsinājumi?
- TVEL ir degvielas elements (nejaukt ar to pašu Krievijas uzņēmuma nosaukumu, kas tos ražo). Būtībā tā ir plāna un gara cirkonija caurule, kas izgatavota no cirkonija sakausējumiem, kurā ievieto urāna tabletes. Tieši degvielas stieņos urāna atomi sāk mijiedarboties viens ar otru, reakcijas laikā izdalot siltumu.
Cirkonijs kā materiāls degvielas stieņu ražošanai tika izvēlēts tā ugunsizturības un pretkorozijas īpašību dēļ.
Degvielas stieņu veids ir atkarīgs no reaktora veida un struktūras. Parasti degvielas stieņu struktūra un mērķis nemainās, caurules garums un platums var būt atšķirīgs. 
Iekārta vienā cirkonija caurulē iekrauj vairāk nekā 200 urāna granulas. Kopumā reaktorā vienlaikus strādā aptuveni 10 miljoni urāna granulu.
FA – degvielas komplekts. AES strādnieki degvielas komplektus sauc par saišķiem.
Būtībā tie ir vairāki degvielas stieņi, kas ir piestiprināti kopā. FA ir pabeigta kodoldegviela, ar ko darbojas atomelektrostacija. Tie ir degvielas komplekti, kas tiek ielādēti kodolreaktorā. Vienā reaktorā tiek ievietoti aptuveni 150 – 400 degvielas komplekti.
Atkarībā no reaktora, kurā darbosies degvielas komplekti, tiem ir dažādas formas. Reizēm kūļi ir salocīti kubiskā, dažreiz cilindriskā, dažreiz sešstūra formā.
Viens degvielas komplekts 4 gadu darbības laikā saražo tikpat daudz enerģijas, cik sadedzinot 670 automašīnas ar akmeņoglēm, 730 cisternas ar dabasgāzi vai 900 cisternas, kas piekrautas ar eļļu.
Mūsdienās degvielas komplektus galvenokārt ražo rūpnīcās Krievijā, Francijā, ASV un Japānā.
Lai nogādātu kodolspēkstacijām paredzēto degvielu uz citām valstīm, degvielas bloki tiek noslēgti garās un platās metāla caurulēs, gaiss tiek izsūknēts no caurulēm un tiek piegādāts ar speciālām mašīnām kravas lidmašīnās.
Atomelektrostaciju kodoldegviela sver nesamērīgi daudz, jo... urāns ir viens no smagākajiem metāliem uz planētas. Tā īpatnējais svars ir 2,5 reizes lielāks nekā tērauda.
Atomelektrostacija: darbības princips
Kāds ir atomelektrostacijas darbības princips? Atomelektrostaciju darbības princips ir balstīts uz radioaktīvās vielas - urāna - atomu skaldīšanas ķēdes reakciju. Šī reakcija notiek kodolreaktora kodolā.
Neiedziļinoties kodolfizikas smalkumos, atomelektrostacijas darbības princips izskatās šādi:
Pēc kodolreaktora palaišanas no degvielas stieņiem tiek noņemti absorbcijas stieņi, kas neļauj urānam reaģēt.
Kad stieņi ir noņemti, urāna neitroni sāk mijiedarboties viens ar otru.
Saduroties neitroniem, atomu līmenī notiek mini sprādziens, izdalās enerģija un dzimst jauni neitroni, sākas ķēdes reakcija. Šis process rada siltumu.
Siltums tiek nodots dzesēšanas šķidrumam. Atkarībā no dzesēšanas šķidruma veida tas pārvēršas tvaikā vai gāzē, kas rotē turbīnu.
Turbīna darbina elektrisko ģeneratoru. Tas ir tas, kurš faktiski ģenerē elektrisko strāvu.
Ja procesu neuzrauga, urāna neitroni var sadurties viens ar otru, līdz tie eksplodēs reaktorā un sagrauj visu atomelektrostaciju. Procesu kontrolē datora sensori. Tie nosaka temperatūras paaugstināšanos vai spiediena izmaiņas reaktorā un var automātiski apturēt reakcijas.
Kā atomelektrostaciju darbības princips atšķiras no termoelektrostacijām (termoelektrostacijām)?
Darbā atšķirības ir tikai pirmajos posmos. Atomelektrostacijā dzesēšanas šķidrums saņem siltumu no urāna degvielas atomu skaldīšanas, termoelektrostacijā dzesēšanas šķidrums saņem siltumu no organiskās degvielas (ogļu, gāzes vai eļļas) sadegšanas. Pēc tam, kad urāna atomi vai gāze un ogles ir izlaiduši siltumu, atomelektrostaciju un termoelektrostaciju darbības shēmas ir vienādas.
Kodolreaktoru veidi
Atomelektrostacijas darbība ir atkarīga no tā, kā tieši darbojas tās kodolreaktors. Mūsdienās ir divi galvenie reaktoru veidi, kas tiek klasificēti pēc neironu spektra:
Lēnu neitronu reaktors, ko sauc arī par termisko reaktoru.
Tās darbībai tiek izmantots urāns 235, kas iet cauri bagātināšanas posmiem, urāna granulu radīšanai utt. Mūsdienās lielākajā daļā reaktoru tiek izmantoti lēni neitroni.
Ātro neitronu reaktors.
Šie reaktori ir nākotne, jo... Viņi strādā pie urāna-238, kas pēc būtības ir duci santīmu, un nav vajadzības šo elementu bagātināt. Vienīgais šādu reaktoru trūkums ir ļoti augstās projektēšanas, būvniecības un palaišanas izmaksas. Mūsdienās ātro neitronu reaktori darbojas tikai Krievijā.
Dzesēšanas šķidrums ātro neitronu reaktoros ir dzīvsudrabs, gāze, nātrijs vai svins. 
Lēnu neitronu reaktori, kurus mūsdienās izmanto visas pasaules atomelektrostacijas, ir arī vairāku veidu.
IAEA organizācija (Starptautiskā Atomenerģijas aģentūra) ir izveidojusi savu klasifikāciju, kas visbiežāk tiek izmantota pasaules kodolenerģijas nozarē. Tā kā atomelektrostacijas darbības princips lielā mērā ir atkarīgs no dzesēšanas šķidruma un moderatora izvēles, SAEA savu klasifikāciju balstīja uz šīm atšķirībām.
No ķīmiskā viedokļa deitērija oksīds ir ideāls moderators un dzesēšanas šķidrums, jo tā atomi visefektīvāk mijiedarbojas ar urāna neitroniem salīdzinājumā ar citām vielām. Vienkārši sakot, smagais ūdens pilda savu uzdevumu ar minimāliem zaudējumiem un maksimālu rezultātu. Tomēr tā ražošana maksā naudu, savukārt parasto “gaismo” un pazīstamo ūdeni ir daudz vieglāk lietot.
Daži fakti par kodolreaktoriem...
Interesanti, ka viena atomelektrostacijas reaktora uzbūve prasa vismaz 3 gadus!
Lai izveidotu reaktoru, ir nepieciešams aprīkojums, kas darbojas elektriskā strāva pie 210 kilogramiem ampēru, kas ir miljons reižu lielāka par strāvu, kas var nogalināt cilvēku.
Viens kodolreaktora apvalks (strukturālais elements) sver 150 tonnas. Vienā reaktorā ir 6 šādi elementi.
Spiediena ūdens reaktors
Mēs jau esam noskaidrojuši, kā vispār darbojas atomelektrostacija, lai visu skatītu perspektīvā, apskatīsim, kā darbojas populārākais spiediena ūdens atomreaktors.
Mūsdienās visā pasaulē tiek izmantoti 3+ paaudzes spiediena ūdens reaktori. Tie tiek uzskatīti par visuzticamākajiem un drošākajiem.
Visi pasaules spiediena ūdens reaktori visu to darbības gadu laikā jau ir uzkrājuši vairāk nekā 1000 bezproblēmu darbības gadus un nekad nav radījuši nopietnas novirzes. 
Atomelektrostaciju struktūra, kas izmanto spiediena ūdens reaktorus, paredz, ka starp degvielas stieņiem cirkulē līdz 320 grādiem uzsildīts destilēts ūdens. Lai tas nenonāktu tvaiku stāvoklī, tas tiek turēts zem 160 atmosfēru spiediena. Atomelektrostacijas diagrammā to sauc par primārās ķēdes ūdeni.
Uzkarsētais ūdens nonāk tvaika ģeneratorā un atdod savu siltumu sekundārā kontūra ūdenim, pēc tam atkal “atgriežas” reaktorā. Ārēji izskatās, ka pirmās ķēdes ūdens caurules saskaras ar citām caurulēm - otrās ķēdes ūdeni, tās nodod siltumu viena otrai, bet ūdeņi nesaskaras. Caurules saskaras.
Tādējādi tiek izslēgta iespēja, ka sekundārā kontūra ūdenī nonāks starojums, kas turpmāk piedalīsies elektroenerģijas ražošanas procesā.
AES ekspluatācijas drošība
Apgūstot atomelektrostaciju darbības principu, mums ir jāsaprot, kā darbojas drošība. Atomelektrostaciju celtniecība mūsdienās prasa pastiprinātu uzmanību drošības noteikumiem.
AES drošības izmaksas veido aptuveni 40% no pašas elektrostacijas kopējām izmaksām. 
Atomelektrostacijas projektā ir iekļautas 4 fiziskas barjeras, kas novērš radioaktīvo vielu izplūdi. Ko šiem šķēršļiem vajadzētu darīt? Īstajā brīdī spēt apturēt kodolreakciju, nodrošināt pastāvīgu siltuma noņemšanu no aktīvās zonas un paša reaktora un novērst radionuklīdu izplūšanu ārpus norobežojuma (hermētiskā zona).
- Pirmā barjera ir urāna granulu izturība. Ir svarīgi, lai tos nesabojātu augsta temperatūra kodolreaktorā. Liela daļa no kodolspēkstacijas darbības ir atkarīga no tā, kā urāna granulas tiek “ceptas” sākotnējā ražošanas posmā. Ja urāna degvielas granulas netiek pareizi saceptas, urāna atomu reakcijas reaktorā būs neparedzamas.
- Otrais šķērslis ir degvielas stieņu hermētiskums. Cirkonija caurulēm jābūt cieši noslēgtām, ja blīvējums tiek pārrauts, labākajā gadījumā tiks sabojāts reaktors un darbs apstāsies, sliktākajā gadījumā viss uzlidos gaisā.
- Trešā barjera ir izturīga tērauda reaktora tvertne a, (tas pats lielais tornis - hermētiskā zona), kas “notur” visus radioaktīvos procesus. Ja korpuss ir bojāts, starojums nokļūst atmosfērā.
- Ceturtā barjera ir avārijas aizsardzības stieņi. Stieņi ar moderatoriem tiek piekārti virs serdes ar magnētiem, kas spēj absorbēt visus neitronus 2 sekundēs un apturēt ķēdes reakciju.
Ja, neskatoties uz kodolspēkstacijas konstrukciju ar daudzām aizsardzības pakāpēm, nav iespējams īstajā laikā atdzesēt reaktora serdi un degvielas temperatūra paaugstinās līdz 2600 grādiem, tad tiek izmantota drošības sistēmas pēdējā cerība. - tā sauktais kausējuma slazds.
Fakts ir tāds, ka šajā temperatūrā reaktora tvertnes dibens izkusīs, un visas kodoldegvielas un izkausēto konstrukciju paliekas ieplūdīs īpašā “stiklā”, kas ir pakārts virs reaktora aktīvās zonas.
Kausējuma slazds ir atdzesēts un ugunsdrošs. Tas ir piepildīts ar tā saukto “upurmateriālu”, kas pakāpeniski aptur skaldīšanas ķēdes reakciju.
Tādējādi atomelektrostacijas projekts ietver vairākas aizsardzības pakāpes, kas gandrīz pilnībā izslēdz jebkādu avārijas iespēju.
Izlietotā kodoldegviela ir urāns, kas izmantots kodolreaktorā un satur radioaktīvos skaldīšanas produktus. Tāpēc to sauc arī par apstaroto vai sadedzinātu kodoldegvielu.
Kā lietotā kodoldegviela atšķiras no radioaktīvajiem atkritumiem (RAW)? Pirmkārt, tāpēc, ka SNF ir vērtīgs produkts, kas satur 2 noderīgas sastāvdaļas - nesadegušo urānu un transurāna elementus. Turklāt skaldīšanas produkti satur radionuklīdus (radioaktīvos izotopus), kurus var veiksmīgi izmantot rūpniecībā, medicīnā un zinātniskajos pētījumos.
Pēc izņemšanas no reaktora izlietotā kodoldegviela (SNF) saglabā radioaktivitāti un izdala siltumu. Tāpēc kādu laiku šāda degviela tiek turēta baseinos zem ūdens, lai noņemtu siltumu un aizsargātu pret jonizējošo starojumu. Nākamais solis varētu būt:
- galīgā apglabāšana - atvērtā degvielas cikla pabeigšana, kā tas tiek darīts ASV, Kanādā un Zviedrijā.
- izlietotās kodoldegvielas pārstrāde tālākai izmantošanai - slēgts degvielas cikls. Krievija, Lielbritānija, Francija un Japāna izvēlējās slēgta degvielas cikla ceļu.
Izlietotā kodoldegviela sākotnēji tiek uzglabāta tieši reaktora nodalījumā. Pēc tam tas tiek pārvietots uz citu vietu īpašās “sausās uzglabāšanas” noliktavās. Mūsdienu vieglā ūdens reaktoru slēgtajā degvielas ciklā degviela iet pa tieši tādu pašu ceļu. Sākot no urāna raktuvēm un rūpnīcām, urāns iziet visus konversijas un bagātināšanas posmus, lai iegūtu reaktora degvielu.Pēc degvielas izņemšanas no reaktora degvielas stieņus apstrādā pārstrādes rūpnīcās, kur tos sasmalcina un izšķīdina skābē. Pēc īpašas ķīmiskās apstrādes no lietotās degvielas tiek atdalīti divi vērtīgi produkti: plutonijs un neizmantotais urāns. Apmēram 3% degvielas paliek kā augsta radioaktivitātes līmeņa atkritumi. Pēc bitumenizācijas, betonēšanas vai stiklojuma šie īpaši radioaktīvie materiāli tiek pakļauti ilgstošai apglabāšanai.
Izlietotā kodoldegviela satur aptuveni 1% plutonija. Šī ir ļoti laba kodoldegviela, kurai nav nepieciešams bagātināšanas process. Plutoniju var sajaukt ar noplicinātu urānu, lai izveidotu jauktu oksīda degvielu vai MOX degvielu, kas tiek piegādāta kā svaigas degvielas komplekti iekraušanai reaktoros. To var izmantot, lai ielādētu reaktoros. Reģenerēto urānu var atgriezt tālākai bagātināšanai vai piegādāt kā svaigu degvielu strādājošiem reaktoriem. Slēgtais degvielas cikls ir efektīvāka sistēma, lai maksimāli palielinātu urāna izmantošanu bez papildu ieguves no raktuvēm (enerģijas vienībās ietaupījums ir aptuveni 30%). Lai gan nozare nekavējoties pieņēma šo pieeju, šādas izlietotās kodoldegvielas pārstrādes shēmas vēl nav kļuvušas plaši izplatītas.
Viens no iemesliem šādai nepilnīgai urāna spēju izmantošanai ir tas, ka lielākā daļa esošo rūpniecisko reaktoru ir tā sauktie “vieglā ūdens” LWR reaktori. Tie ir labi daudzējādā ziņā, taču tie nav paredzēti, lai no degvielas izspiestu katru pēdējo vatu enerģijas. Tomēr ir arī cita veida reaktori - tā sauktie “ātrie” (ātro neitronu reaktori), kas spēj “pārstrādāt” lietoto kodoldegvielu, lai iegūtu daudz vairāk enerģijas.
FA (degvielas komplekts)
Kodoldegviela- materiāli, ko izmanto kodolreaktoros, lai veiktu kontrolētu kodola skaldīšanas ķēdes reakciju. Kodoldegviela būtiski atšķiras no citiem cilvēces izmantotajiem degvielas veidiem, tā ir ārkārtīgi energoietilpīga, taču arī ļoti bīstama cilvēkiem, kas nosaka daudzus ierobežojumus tās lietošanai drošības apsvērumu dēļ. Šī un daudzu citu iemeslu dēļ kodoldegvielu ir daudz grūtāk izmantot nekā jebkura veida organisko degvielu, un tās izmantošanai ir nepieciešami daudzi īpaši tehniski un organizatoriski pasākumi, kā arī augsti kvalificēts personāls, kas ar to nodarbojas.
Galvenā informācija
Kodola ķēdes reakcija ietver kodola sadalīšanu divās daļās, ko sauc skaldīšanas fragmenti, ar vienlaicīgu vairāku (2-3) neitronu izdalīšanos, kas savukārt var izraisīt nākamo kodolu sadalīšanos. Šī skaldīšanās notiek, kad neitrons ietriecas sākotnējās vielas atoma kodolā. Kodolskaldīšanas laikā izveidotajiem skaldīšanas fragmentiem ir augsta kinētiskā enerģija. Sadalīšanās fragmentu kavēšanu vielā pavada atbrīvošanās liels daudzums karstums. Dalīšanās fragmenti ir kodoli, kas veidojas tieši skaldīšanas rezultātā. Sadalīšanās fragmentus un to radioaktīvos sabrukšanas produktus parasti sauc skaldīšanas produkti. Kodolus, ko sadala jebkuras enerģijas neitroni, sauc par kodoldegvielu (parasti tās ir vielas ar nepāra atomu skaitu). Ir kodoli, kurus sadala tikai neitroni, kuru enerģija pārsniedz noteiktu sliekšņa vērtību (parasti tie ir elementi ar pāra atomskaitli). Šādus kodolus sauc par izejvielām, jo, kad neitronu uztver sliekšņa kodols, veidojas kodoldegvielas kodoli. Kodoldegvielas un izejvielu kombināciju sauc par kodoldegvielu. Tālāk ir parādīts 235 U kodola dalīšanās enerģijas sadalījums starp dažādiem skaldīšanas produktiem (MeV):
| Sadalīšanās fragmentu kinētiskā enerģija | 162 | 81% |
| Sadalīšanās neitronu kinētiskā enerģija | 5 | 2,5% |
| γ-starojuma enerģija, kas pavada neitronu uztveršanu | 10 | 5% |
| Dalīšanās produktu γ-starojuma enerģija | 6 | 3% |
| Sadalīšanās produktu β-starojuma enerģija | 5 | 2,5% |
| Neitrīno aiznestā enerģija | 11 | 5,5% |
| Kopējā skaldīšanas enerģija | ~200 | 100% |
|---|
Tā kā neitrīno enerģija tiek aizvadīta neatgriezeniski, lietošanai ir pieejama tikai 188 MeV/atom = 30 pJ/atom = 18 TJ/mol = 76,6 TJ/kg (saskaņā ar citiem datiem (skatīt saiti) 205,2 - 8,6 = 196 ,6 MeV). /atoms) .
Dabiskais urāns sastāv no trim izotopiem: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) un 234 U (0,006%). Tas ne vienmēr ir piemērots kā kodoldegviela, it īpaši, ja strukturālie materiāli un moderators intensīvi absorbē neitronus. Šajā gadījumā kodoldegvielu ražo no bagātināta urāna. Termiskās neitronu jaudas reaktoros izmanto urānu, kura bagātināšana ir mazāka par 6%, savukārt ātro un vidējo neitronu reaktoros izmanto urāna bagātināšanu, kas pārsniedz 20%. Bagātināto urānu ražo īpašās bagātināšanas rūpnīcās.
Klasifikācija
Kodoldegvielu iedala divos veidos:
- Dabiskais urāns, kas satur skaldāmos kodolus 235 U, kā arī izejvielas 238 U, kas neitronu uztveršanas laikā spēj veidot plutoniju 239 Pu;
- Sekundārās degvielas, kas dabā nav sastopamas, tostarp 239 Pu, kas iegūta no pirmā veida degvielas, kā arī 233 U izotopi, kas veidojas, neitronus uztverot 232 Th torija kodoliem.
Autors ķīmiskais sastāvs, kodoldegviela var būt:
- Metāls, ieskaitot sakausējumus;
- oksīds (piemēram, UO 2);
- Karbīds (piemēram, PuC 1-x)
- Jaukts (PuO 2 + UO 2)
Pielietojuma teorētiskie aspekti
Kodoldegvielu kodolreaktoros izmanto vairākus centimetrus lielu tablešu veidā, kur tā parasti atrodas hermētiski noslēgtos degvielas elementos (degvielas elementos), kas savukārt lietošanas ērtībai tiek apvienoti vairākos simtos degvielas komplektos ( FA).
Kodoldegvielai ir izvirzītas augstas prasības attiecībā uz ķīmisko savietojamību ar degvielas stieņu apšuvumiem, tai jābūt ar pietiekamu kušanas un iztvaikošanas temperatūru, labu siltumvadītspēju, nelielu tilpuma pieaugumu neitronu apstarošanas laikā un izgatavojamību.
Urāna metāla izmantošana, īpaši temperatūrā virs 500 °C, ir sarežģīta tā uzbriešanas dēļ. Pēc kodola skaldīšanas veidojas divi skaldīšanas fragmenti, kuru kopējais tilpums ir lielāks par urāna (plutonija) atoma tilpumu. Daži dalīšanās fragmentu atomi ir gāzes atomi (kriptons, ksenons utt.). Gāzes atomi uzkrājas urāna porās un rada iekšējo spiedienu, kas palielinās, palielinoties temperatūrai. Sakarā ar atomu tilpuma izmaiņām skaldīšanas laikā un gāzu iekšējā spiediena palielināšanos, urāns un citas kodoldegvielas sāk uzbriest. Pietūkums attiecas uz kodoldegvielas tilpuma relatīvajām izmaiņām, kas saistītas ar kodola skaldīšanu.
Pietūkums ir atkarīgs no degvielas stieņu izdegšanas un temperatūras. Sadalīšanās fragmentu skaits palielinās, palielinoties izdegšanai, un iekšējais gāzes spiediens palielinās, palielinoties degšanai un temperatūrai. Kodoldegvielas pietūkums var izraisīt degvielas stieņa apšuvuma iznīcināšanu. Kodoldegviela ir mazāk uzņēmīga pret pietūkumu, ja tai ir augstas mehāniskās īpašības. Urāna metāls nav viens no šiem materiāliem. Tāpēc urāna metāla kā kodoldegvielas izmantošana ierobežo sadegšanas dziļumu, kas ir viena no galvenajām kodoldegvielas īpašībām.
Radiācijas izturība un degvielas mehāniskās īpašības uzlabojas pēc urāna sakausēšanas – procesa, kurā urānam tiek pievienots neliels daudzums molibdēna, alumīnija un citu metālu. Leģējošās piedevas samazina skaldīšanas neitronu skaitu uz vienu neitronu, ko uztver kodoldegviela. Tāpēc viņi mēdz izvēlēties leģējošās piedevas urānam no materiāliem, kas vāji absorbē neitronus.
Pie labas kodoldegvielas pieder daži ugunsizturīgi urāna savienojumi: oksīdi, karbīdi un intermetāliskie savienojumi. Visplašāk izmantotā keramika ir urāna dioksīds UO 2. Tā kušanas temperatūra ir 2800 °C, blīvums ir 10,2 g/cm³. Urāna dioksīdam nav fāzes pāreju, un tas ir mazāk jutīgs pret uzbriest nekā urāna sakausējumi. Tas ļauj palielināt izdegšanu līdz vairākiem procentiem. Urāna dioksīds neiedarbojas ar cirkoniju, niobija, nerūsējošo tēraudu un citiem materiāliem, ja augstas temperatūras. Galvenais keramikas trūkums ir zemā siltumvadītspēja - 4,5 kJ/(m K), kas ierobežo reaktora īpatnējo jaudu kušanas temperatūras izteiksmē. Tādējādi maksimālais siltuma plūsmas blīvums VVER reaktoros, kuros izmanto urāna dioksīdu, nepārsniedz 1,4⋅10 3 kW/m², savukārt degvielas stieņos maksimālā temperatūra sasniedz 2200 °C. Turklāt karstā keramika ir ļoti trausla un var saplaisāt.
Praktiska lietošana
Kvīts
Urāna degviela
Urāna kodoldegvielu iegūst, apstrādājot rūdas. Process notiek vairākos posmos:
- Nabadzīgajiem laukiem: Mūsdienu rūpniecībā, jo trūkst bagātīgu urāna rūdu (izņēmums ir Kanādas un Austrālijas atradnes, piemēram, neatbilstība, kurā urāna koncentrācija sasniedz 3%), tiek izmantota rūdu pazemes izskalošanās metode. Tas novērš dārgu rūdas ieguvi. Iepriekšēja sagatavošana notiek tieši zem zemes. Caur injekcijas akas sērskābe tiek sūknēta pazemē virs atradnes, dažreiz pievienojot dzelzs sāļus (lai oksidētu urānu U(IV) par U(VI)), lai gan rūdas bieži satur dzelzi un piroluzītu, kas veicina oksidēšanos. Caur sūknēšanas akas Izmantojot īpašus sūkņus, sērskābes šķīdums ar urānu paceļas uz virsmas. Pēc tam tas tiek tieši novirzīts uz sorbciju, hidrometalurģisko ekstrakciju un vienlaicīgu urāna bagātināšanu.
- Rūdas atradnēm: izmantot rūdas bagātināšanu un radiometrisko rūdas bagātināšanu.
- Hidrometalurģiskā apstrāde - urāna sasmalcināšana, izskalošana, sorbcija vai ekstrakcija, lai iegūtu attīrītu urāna oksīdu (U 3 O 8), nātrija diuranātu (Na 2 U 2 O 7) vai amonija diuranātu ((NH 4) 2 U 2 O 7) .
- Urāna pārvēršana no oksīda par UF 4 tetrafluorīdu vai tieši no oksīdiem, lai iegūtu UF 6 heksafluorīdu, ko izmanto urāna bagātināšanai, izmantojot izotopu 235.
- Bagātināšana ar gāzu termisko difūziju vai centrifugēšanu.
- Ar izotopu 235 bagātinātais UF 6 tiek pārveidots par UO 2 dioksīdu, no kura tiek izgatavotas degvielas elementu “granulas” vai iegūti citi urāna savienojumi šim pašam nolūkam.